双闭环PI控制Boost PFC电路的仿真研究

安徽理工大学电气与信息工程学院 马晓露 薛亚彬

0 引言

开关电源的广泛应用给电网带来了输入侧的波形畸变、功率因数降低等问题。提高功率因数，进行谐波抑制，从而改善电能质量，为现阶段研究的热点和重点，功率因数校正(PFC)电路得到了较多的应用。近年来，很多科研机构以及电源企业对升压型功率因数校正（Boost PFC）电路进行了大量研究，并应用在实际电源设计中[1]。几乎全部的升压型（Boost）功率因数校正控制方法大致都涉及到双环控制，即电压环、电流环[2]。本文通过Matlab Simulink软件，进行了双闭环PI控制Boost PFC电路仿真模型的搭建与仿真实验研究，对实现实际电路有着很好的参考价值。

1 拓扑电路和控制方法选择

图1 Boost PFC电路结构

在实际PFC电路设计中，需要完成电压的转换，使输入电流跟踪全波整流电流，直流电压输出稳定[3]。本文PFC电路采用Boost拓扑结构，图1为Boost PFC电路结构。由二极管、功率开关管、电感和电容等构成PFC主电路，电流iL通过二极管D续流。

PFC控制电路需确保电压输出稳定以及输入电压、电流达到同一相位。电路采取电压、电流双闭环控制方式，图2为电压环、电流环双闭环控制系统原理框图。电压环采取定值方式进行控制，从而达到跟踪误差的目的，电压控制器采用PI控制器。电流环输出脉冲信号控制功率开关管，让输入电流跟踪输入电压，电流信号和输入侧的电压采样信号达到同相位，电流控制器也采用PI控制器。电流环给定值是输入电压的采样和电压环的输出两者的乘积，可使电流环的输出电流和输入电压同相。

图2 电压、电流双闭环控制原理框图

2 电流环、电压环PI控制器

PFC性能的好坏关键在于对控制电路中PI控制参数等的设置。对于电流环PI控制器的确定，需要分析Boost PFC控制电路电流环的传递函数数学模型[4]。图3为电流环结构控制框图。

图3 电流环PI控制器

KiP、KiI为电流环PI控制器的控制参数，KvP、KvI为电压环PI控制器的控制参数。电流环、电压环PI控制器传递函数分别为：

3 电路仿真结果分析

图4为运用MATLAB软件搭建的Simulink仿真模型。系统输入交流电源AC 220V，输出电压为310V，设置系统仿真运行0.5s。图5为交流电源电压Vac和电流Iac的波形，可见系统运行过程中，在0.1s以后，输入电流和输入电压的波形同相。

图4 电路仿真模型

图5 交流电源电压、电流波形

图6 输出电压Vo波形

图7 输入电流谐波含量图

表1 电流环、电压环参数与Vo稳定时间关系

图6为BOOST电路的输出电压Vo波形，可见Vo在较短的时间后，稳定在了310V附近。图7为输入电流进行FFT分析，所得的输入电流谐波含量图，输入电流的基波分量最大，测得THD=6.32%。行，表1为对示波器显示的Vo波形进行观测所得的输出电压Vo达到稳定所需的大致时间。通过比较可知，当设置合适的电流环、电压环PI控制器的控制参数时，可使系统具有较快的响应速度和良好的PFC性能。

4 结束语

本文进行了双闭环PI控制Boost PFC电路的仿真研究。由系统的仿真运行结果分析可得，通过合理选择PI控制参数，可使系统拥有较快的响应速度，功率因数校正后系统的电流、电压同相，功率因数接近于1，输出电压很快达到稳定值，响应迅速，但在310V附近存在一定的纹波。同时THD值只有6.32%，输入电流的谐波抑制效果较好，对研究Boost PFC电路的双闭环PI控制有着较好的参考价值。

[1]杨存祥,何康,金楠,冯雪.一种新型PFC 的控制仿真研究[J].电源技术,2015,39(3):586-587.

[2]张艳杰.升压型双闭环控制有源功率因数校正电路设计[J].电气技术,2016(9):43-46.

[3]王智,方炜,刘晓东.数字控制的单周期PFC 整流器的设计与分析[J].中国电机工程学报,2014,34(21):3423-3431.

[4]石诚,王君艳.基于Matlab Simulink的无桥PFC变换器的仿真[J].通信电源技术,2014,31(2):24-27.